密勒效应是什么

密勒效应是指在一个电压放大电路中跨接在输入端与输出端之间的寄生电容由于其两端电压反相变化等效到输入端的电容会放大通常放大 1∣Av​∣ 倍的现象。这个效应会显著恶化放大电路的高频性能是共射共源放大电路高频增益下降的主要原因之一。1. 用一个简单模型理解看一个共射放大电路三极管的集电极-基极结电容Cbc​也称为密勒电容CM​跨接在输入端B和输出端C之间。电压增益共射电路的电压增益 Av​ 是负值反相。例如 Av​−100。电容两端电压变化假设基极电压变化 ΔV则集电极电压变化 ΔVAv​⋅ΔV−100ΔV。因此电容 CbcCbc​两端的电压变化量为ΔVC​−ΔVB​(−100ΔV)−(ΔV)−101ΔV这个变化量比输入电压变化大了 101 倍。等效到输入端的电容为了从输入端“看到”这个电容的影响我们计算它从输入端抽取的电流。因为流过 Cbc​ 的电流 iCbc​⋅dtd(ΔV)​而 ΔV电容两端电压变化是输入变化的 1∣Av​∣ 倍所以等效的输入电流也是 Cbc​ 直接接在输入端的(1∣Av​∣) 倍。因此从输入端看进去的等效电容为Cin​Cbc​⋅(1∣Av​∣)结论原本很小的结电容 Cbc​如几 pF 到十几 pF在放大电路中被放大了 1∣Av​∣ 倍例如 101 倍变成了几百 pF 的等效输入电容。2. 密勒效应对电路性能的影响限制高频带宽大的输入电容 Cin​ 与信号源内阻 Rs​ 或放大器的输入电阻 Rin​ 构成了一个低通滤波器。其截止频率 fH​ 为fH​2πRs​Cin​1​因为 Cin​ 很大所以 fHfH​ 很低导致放大器的高频增益严重下降。造成高频相位滞后这个大电容还会引入额外的相位滞后可能使放大电路在高频下不稳定甚至产生自激振荡。3.如何减小或消除密勒效应选用 Cbc​ 很小的晶体管例如高频管射频三极管的 Cbc​ 可以做到 0.5pF 甚至更低。降低增益 Av​降低增益可以直接减小密勒电容的放大倍数。但这与高增益需求矛盾。使用共基极CB或共集电极CC组态共基极输入端是发射极输出端是集电极而基极交流接地。跨接在集电极-基极的电容 Ccb​ 两端没有电压增益因为基极是交流地因此不产生密勒效应高频性能极佳这也是共基电路用于高频放大的原因。共集电极射极跟随器电压增益 ≈1且是同相密勒效应极其微弱。采用“渥尔曼电路”在共射级上面堆叠一个共基级。下方的共射管增益≈1因为负载是共基管的低输入阻抗上方的共基管没有密勒效应组合后既有高增益又消除了密勒效应是高频放大器的常用结构。中性化Neutralization在外部添加一个与 Cbc​ 数值相等、相位相反的电抗元件如小电容或电感进行抵消。这是早期高频电路的做法现代电路中较少用。总结密勒效应跨接在输入/输出之间的阻抗通常是电容在反相放大器中会被等效放大 (1∣Av​∣) 倍。主要后果高频增益下降、带宽变窄。破解方法选择低 Cbc​ 的管子、降低增益、改用共基/共集组态、使用渥尔曼结构。掌握了密勒效应就能理解为什么在要求高增益又需宽频带时工程师们不简单地用单级共射电路而要采用共源-共栅如渥尔曼或多级反馈等拓扑——本质都是为了打破这个“增益与带宽不可兼得”的限制。